Woody le cowboy, Buzz l'Eclair et les autres jouets se retrouvent confrontés à ce qui devait bien arriver un jour : le départ d'Andy pour l'université...
Nemo, un jeune poisson-clown, s'égare de son récif de corails et se perd dans le vaste océan. Son père Marin part à sa recherche et affronte divers dangers pour le retrouver.
Quand Andy quitte sa chambre, ses jouets se mettent à mener leur propre vie sous la houlette du cowboy Woody. Débarque alors Buzz l'éclair, intrépide aventurier de l'espace venu d'une lointaine galaxie, qui va semer la zizanie dans ce petit monde.
Durant la nuit, de drôles de monstres terrifient les enfants et récoltent leurs cris pour en faire leur principale source d'énergie. Mais Sulli, l'un d'entre eux, permet sans le vouloir à Bouh, une petite fille, de pénétrer dans leur monde.
Kidnappé par un collectionneur sans scrupules, Woody va découvrir qu'il fut jadis une vraie star. Il va alors être confronté à la décision la plus importante de sa vie : rentrer chez lui pour retrouver Andys ou rester et devenir une pièce de musée.
Tilt, fourmi tête en l'air, détruit par inadvertance la récolte de la saison. Cette bévue rend rendre fou de rage le Borgne et sa bande de sauterelles. Tilt décide alors de quitter l'île pour recruter des mercenaires capables de chasser le Borgne...